超声波在化工领域的应用讲解.doc

1、苏州索尼克超声科技有限公司超声波在化工领域的应用超声学的主要应用技术体现在两个方面：检测超声和功率超声。检测超声又称为弱超声的“被动应用”，检测超声是利用毫瓦量级的小功率超声的传播特性对媒质的各种非声学量及其变化实施检测或控制。例如医学中的A超、B超、c超等显像诊断仪器；工业中的金属探伤、测厚、测距等检测仪器。功率超声又称为“大功率超声的主动应用”，是利用较大功率的超声对物质作用，以改变或加速改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态的技术。功率超声在化工中的应用，近年来有了新的发展，展示出广阔的前景。本文意在对功率超声在化工领域的应用予以综述，以期引起化工领域对功率超声应用的关注。一功率超声机理概述 一定强度的超声波在媒质中传播时，会产生力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应，这些效应归纳起来，有三种最基本的作用。1.机械作用。超声波是机械能量的传播形式，与被动过程有关，能产生线性交变的振动作用。这种机械能量主要体现在媒质的质点间的振动、加速度冲击、声压剪切等效应力作用。若28khz，1Wcm2的声强在水中传播，其产生的声压值为242kpa，这就是说，在242kpa的压力下产生28万

2、次振动，具最大质点加速度大约为重力加速度的2000倍。2空化作用。当一定强度的超声波在液体媒质中传播时，使液体中的微气泡的振荡生成、增大、收缩、崩溃导致气泡附近的液体产生强烈的激波，形成局部点的极端高温高压，空化泡崩溃的瞬间其周围极小空间内产生5000k以上的高温和大约50mpa的高压，其温度变化速率达109ks，并伴生出强烈冲击波和时速达400km的微射流，这种极端高压、高温、高射流又是以每秒数万次连续作用产生的，超声空化引起了湍动效应、微扰效应、界面效应，聚能效应。其中湍动效应使边界层减薄，增大传质速率；微扰效应强化了微孔扩散；界面效应增大传质表面积；聚能效应扩大了分离物质分子从而从整体上强化了化工分离强化过程的传质速率和效果。因此，空化作用是功率超声最基本的特质。3热作用。超声波在媒质中传播，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使自身温度升高。声能被吸收可引起媒质中的整体加热、边界外的局部加热和空化形成激波时波前处的局部加热。主要应用超声在生物化学中的最早应用应当是用超声来粉碎细胞壁，以释放出其内容物。随后的研究表明，低强度超声可以促进生化反应过程，如用超声照射液体营养基可增加藻

3、类细胞的生长速度，从而使这些细胞产生蛋白质的量增加3倍。超声波声场的能量密度与空化泡崩溃时的能量密度相比,能量密度被扩大了万亿倍,引起能量的巨大集中;空化泡产生的极端高温和高压导致的声化学现象和声致发光,是声化学中特有的能量和物质交换形式。所以，超声波对化学萃取、生物柴油生产、有机合成、治理微生物、降解有毒有机污染物、化学反应速度和产率、催化剂的催化效率、生物降解处理，超声波防垢除垢、生物细胞粉碎、分散和凝聚、和声化学反应具有越来越大的作用。二超声化学1.超声强化化学反应。 超声强化化学反应。主要动力来自超声空化作用。空化泡核的崩溃产生局部高温、高压和强烈的冲击波及微射流，为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应提供了一种新的非常特殊的物理化学环境。2，超声催化反应。 超声催化反应作为一个新兴的研究领域已引起业内工作者越来越浓厚的兴趣。超声波对催化反应的作用主要是：(1)高温高压条件有利于反应物裂解成自由基和二价碳，形成更为活泼的反应物种；(2)冲击波和微射流对固体表面(如催化剂)有解吸和清洗作用，可清除表面反应产物或中间物及催化剂表面钝化层；(3)冲击波可能破坏反应物结构(4)分

4、散反应物系；(5)超声空蚀金属表面，冲击波导致金属晶格的变形和内部应变区的形成，提高金属的化学反应活性；6)促使溶剂深入到固体内部，产生所谓的夹杂反应；(7)改善催化 剂分散性。在超声均相催化反应中，研究较多的是金属羰基化合物作为催化剂的烯烃异构化反应。 Suclick等详细研究了超声条件下以Fe(co)5为催化剂的1戊烯异构化生成2戊烯的反应，发现超声条件下的的反应速率比没有超声时增加了105倍。Suclik等分析认为，超声空化气泡崩溃时产生的高温高压以及周围环境的快速冷却有利于Fe(CO)5解离，形成更高活性物种Fe3(C0)12。前苏联的Mai，tsev较早研究了超声对多相催化过程的影响，发现超声能使单程转化率提高近1 0倍，其原因认为是增加了催化剂 的分散度。近年来，Han等考察了低强度超声（10Wcm2)作用下Reformatsky反应，发现在超声30min后，反应产率达到90以上。更重要的是，不必再通过还原无水氯化锌来制备具有高度活性的锌粉， 也不必再使用三甲基硼酸盐。Suslick等在声强为50Wcm2条件下研究了此反应，结果发现在25时该混合物超声5min后，产率可达9

5、5以上，同时发现助催剂在此对产率和反应时间并无影响。Suslick等详细研究了镍粉作为催化剂的加氢反应，发现在超声作用下其反应活性提高了5 个数量级。众所周知、普通镍粉对烯烃加氢反应的催化活性很差， 一般在300h左右后反应都难以进行。但用超声处理镍粉后，反应很快启动，其反应速率先随超声处理时间的延长而增加，后又逐渐减少。Ronmy和Price等研究了在相转移碱催化中的烷基硝基苯自氧化反应，发现在超声作用下反应速度大幅上升，反应时间缩短2h，酸的选择性显著提高，产物中有大量硝基苯甲酸生成。超声波在催化剂的活化、再生和制备中也显示出独特的优势。美国伊利诺斯大学研制成功一种超声波洗涤浴，可用于除去镍粉表面的氧化膜，使镍催化剂活化。美国Exxon公司Henry报道，用超声波可使加氢裂化使用的持久失活的镍钼催化剂得以再生。最近，Suslick等在超声作用下研究fe(Co)5和Co(C0)3的相互作用发现：在强超声作用下形成了纳米级Fe-Co合金催化剂，其对环已烷的脱氢解具有很高的活性，详细的机理正进一步研究中。3、超声聚合物化学 超声波正聚合物化学方面的应用引起了人们的广泛关注。超声处理可以降

6、解大分子，尤其是处理高分子量聚合物的降解效果更显著。纤维素、明胶、橡胶和蛋白质等经超声处理后都可得到很好的降解效果。目前对超声降解机理一般认为超声降解的原因是由于受到力的作用以及空化泡爆裂时的高压影响，另外部分降解可能是来自热的作用。 一定条件下功率超声也可引发聚合，强超声辐照可引发聚乙烯醇与丙烯腈共聚制备嵌段共聚物、聚醋酸乙烯与聚环氧乙烷共聚形成接枝共聚物等。4超声场强化新型化学反应技术 新型化学反应技术和超声场强化相结合是超声化学领域中又一极具潜力的发展方向。如以超临界流体为介质，用超声场进行强化的催化反应。如以超临界流体具有类似于液体的密度和类似于气体的粘度和扩散系数，这使得其溶解相当于液体，传质能力相当于气体。利用超临界流体良好的溶解性能和扩散性能，可以很好地改善非均相催化剂的失活问题，但如能加以超声场进行强化，则无疑是锦上添花。超声空化产生的冲击波和微射流不但可以极大地增强超临界流体溶解某些导致催化剂失活的物质，起到解吸和清洗的作用，使催化剂长时间保持活性，而且还有搅拌的作用，能分散反应物系，令超临界流体化学反应传质速率更上一层楼。另外，超声空化形成的局部点高温高压将有利于反

7、应物裂解成自由基，大大加快反应速率。目前对超临界流体化学反应研究较多，但利用超声场强化此类反应的研究极少。三.超声强化萃取1，固液萃取 固液萃取在食品化工中通常被称为提取，即用合适的溶剂从物料中提取有用成分， 般采用热处理或机械搅拌来加强该过程，已发现应用功率超声能显著强化和改善提取过程。超声的微扰效应增大了溶剂进入提取物细胞的渗透性，加强了传质过程，超声的另一作用是超声空化产生的强大剪切力能使植物细胞壁破裂，使细胞容易释放出内含物，这点已从超声提高甜菜蔗糖提取速度 的研究中得到证实。超声强化固液萃取也应用于从中药中提取生产水杨酸、氯化黄连素、岩白菜宁等药物成分。室温下通常用于提取岩白菜宁的酒精回流法在超声作用下，一半的提取时间内能获得高于50的提取产量，有效的质量传递和细胞破裂又一次被证明是强化提取的主要原因。有人研究了从脱脂大豆中提取蛋白过程中超声的作用，20kHz、50W的声场辐照能改善豆浆连续提取工艺，它超越了以往任何一种可行性技术，获得了高效提取，并且该技术已扩大到实验工厂。制造速溶茶的第步是从茶叶中提取茶固形物，再用喷雾干燥法除去纯茶叶溶液中的水后所得的粉末就是速溶茶。在6

8、0时应用超声可以使提取量提高20，超声提取比常规的热提取更有效，并且缩短了提取时间，大部分物质在过程的前l0min内就被提取了。高血压胃蛋白酶是在把乳液加工成芝士过程中使用的种重要原料，可以从哺乳动物的胃中提取得到，应用192kHz、334Wcm2超声作用45min成功地提高了提取产量，不加超声时150g牛刍目只能提取3060g胃蛋白酶，而超声提取可达47.81g，并且超声 提取法与普通方法相比，蛋白酶的活性略有提高。在化工过程中应用超声强化固液莘取的实例有：(1)用苯等8种溶剂提取油页岩中的沥青质时，在50kHz、400W的声场作用下提取速率相当于索氏提脂法的24倍；(2)用氢氧化钠和氯化铵混合溶液浸取含锌173的锌矿中的锌时，用22kHz、100W的超声可以大大加快浸取速率；(3)频率20khz、功率100W和600W的声场辐照可以提高正已烷提取粉末状除虫菊花中除虫菊酯的速率；(4)24khz，（正负 25kHz）120W的超声辐照应用于甲醇提取环境样品中的苯并芘(a)时，有真空升华法无可比拟的提取速率；(5)185kHz、250W的高强度大单头插入式超声场可以提高氰化法浸取黄金的

9、速率；(6)20khz的超声用于提取益母草总碱时提取高于一般回流法所得，并且缩短了提取时间。回流法提取2小时后的提取率为0176，而超声法提取40min后提取率可达0248。2，液液萃取 液液萃取涉及到两个互不相溶的有机相和水相之间的质量传递过程。由于超声波的空化作用所引起的界面效应增加了两相间的接触面积，而空化崩溃时冲击波引起的湍动效应消除了两相交界的阻滞，从而增加了液液萃取速率。对于一般受传质速率控制的液液萃取体系来说，超声波的作用十分显著，特别在有色冶金工业中金属的液液萃取过程应用合适的超声频率和功率作用时，可以大大加强其分解速度和提高萃取速率，用1MHz、02Wcm2的超声辐照15min，可使应用酸性磷酸萃取剂分离mo和w的分相速度加快45倍；用20kHz、19Wcm2的超声辐照可以使Ga的萃取速率提高15倍；用20khz、47W的超声 辐照，并伴以机械搅拌可使Ni的萃取速率提高47倍。四超声强化结晶大量实验研究表明，功率超声既可以使过饱和溶液的固体溶质产生迅速而平缓的沉淀，又可以强化晶体生长。早在50年代用l0kHz的超声辐照普鲁卡因溶液与盘尼西林盐混合物， 可以获得细小而均匀的普鲁卡因盘尼西林晶体沉淀物，粒度分布为5um一15um，而采用常规方法获得的产品粒度为l0um一20um。在熔融金属的冷却过程中用超声作用有两个好处，即除气和获得较小的晶粒，并且在超声波的作用下，形成的晶核进入振动状态，从而加速生长过程，对碳钢的超声处理表明，它可使晶粒尺度从200um减少到25um一30um，碳钢的延展性增加30一40，机械强度提高20一30。对金属锌冷却结晶的研究表明，超声处理可使其临界切变应力强度提高80，而且，在频率为25kHz、强度为50Wcm2的超声

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